一種寬帶相控陣列天線的設(shè)計

張 青，張 進，趙 旭，徐遠超，金志峰

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇南京210007）

0 引言

在日益嚴峻的電磁環(huán)境背景下，具備寬帶多功能相控陣體制的雷達已成為先進雷達的重要發(fā)展方向。現(xiàn)代戰(zhàn)爭也對雷達提出了新的要求，可利用寬帶相控陣完成對雷達、電子戰(zhàn)、通信等多功能的一體化設(shè)計，以提高其對抗及隱身能力[1]。

要實現(xiàn)寬帶相控陣，首先組成天線陣列的輻射單元必須具備寬帶的性能，這有許多選擇。TEM喇叭天線能夠達到2個倍頻程，并且波束對稱、增益高，其他常見的寬帶天線還有螺旋天線、對數(shù)周期天線等形式[2]，但都需要饋電巴倫，而且天線的體積也較大。不過在常規(guī)的相控陣天線結(jié)構(gòu)要求下，上述的天線形式都不適合與后端的微波電路集成，這使得加工制作遇到了困難。

開槽天線，屬于端射行波天線，通過在涂覆于介質(zhì)襯底層的金屬板上開槽而成，因槽的形狀不同而使天線有多種形式，如指數(shù)漸變開槽天線(Vivaldi)、線性漸變開槽天線(LTSA)、固定寬度開槽天線(CWSA)等[3]，對它們激勵可以采用常規(guī)的微帶線、帶狀線等饋電結(jié)構(gòu)來完成。Vivaldi天線具有體積小、頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，適于用作寬帶寬角掃描相控陣天線的陣列單元。

1 單元結(jié)構(gòu)及設(shè)計

首先進行單極化Vivaldi天線單元的仿真優(yōu)化，Vivaldi天線是一種按指數(shù)規(guī)律漸變的槽形天線。在理論上，具有無窮的帶寬。由于饋電方式的不同，形成各具特點、不同形式的Vivaldi天線。本文在設(shè)計中，采用了帶狀線的饋電方式，該形式的Vivaldi天線同微帶線饋電方式相比，具有更好的寬帶特性以及極化純度，在方向圖的對稱性上也有一定的優(yōu)勢。同時，通過在天線單元上增加金屬化過孔來消除頻帶內(nèi)掃描駐波的奇異點。為減小天線的損耗，提高輻射效率，采用低介電常數(shù)的介質(zhì)板材料進行設(shè)計加工，板材選用Rogers5880型號。

考慮到天線有3倍頻程帶寬要求，兼顧陣列天線波束掃描時的寬波束要求，選取Vivaldi天線作為天線的基本單元，天線單元結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，單元采用金屬化過孔結(jié)構(gòu)減小天線單元之間的耦合，保證天線波束掃描時的增益性能。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

天線開口大小H、天線的長度L和指數(shù)漸變率α的大小直接影響天線的輻射性能。按照經(jīng)驗，設(shè)計原則[4]為：

1）天線開口的寬度分別由設(shè)計的工作頻段的高、低截止頻率決定，通常取開口最寬處為低頻截止頻率所對應(yīng)工作波長的0.5倍左右，最窄處寬度為高頻截止頻率所對應(yīng)工作波長的2%左右,考慮到寬帶陣列的組陣需求，同時兼顧天線增益，天線開口選取低頻截止頻率所對應(yīng)工作波長的0.25倍。

2）天線的長度L為0.5～1個中心頻率工作波長，完成從饋電部分到輻射部分之間的過渡。

3）指數(shù)漸變曲線可由y=C1eαx+C2得到，其中為指數(shù)漸變曲線的起點和終點。

按照設(shè)計要求和以上設(shè)計原則，天線開口大小H為11.6 mm，天線的長度L為25 mm。天線單元為帶狀線結(jié)構(gòu)。天線單元陣中無源駐波及6 GHz、12 GHz、18 GHz增益方向圖性能如圖2-4所示。

圖2 天線單元駐波圖

6～18 GHz單元天線增益E面及H面性能總結(jié)如表1所示。

表1 E面/H面增益性能

2 天線陣列的設(shè)計

圖3 H面單元不同頻率增益方向圖

圖4 E面單元不同頻率增益方向圖

采用8×8天線陣列進行仿真，64單元陣列天線結(jié)構(gòu)如圖5所示，天線陣列單元間距決定在工作頻帶范圍內(nèi)是否出現(xiàn)柵瓣，是否出現(xiàn)在實空間，陣列單元間距取d=11.6 mm。由公式d≤λ/ |1+sinθ|可以計算出此間距下天線在±45°內(nèi)波束掃描不出現(xiàn)柵瓣頻率為15 GHz，因此，在設(shè)計過程中波束掃描主要考慮15 GHz以下的設(shè)計結(jié)果，在15 GHz以上進行寬角波束掃描時會出現(xiàn)柵瓣。

圖5 天線陣列結(jié)構(gòu)

陣列天線單元駐波如圖6所示，波束掃描增益方向圖如圖7-12所示。

圖6 單元陣中駐波圖

圖7 H面6 GHz波束掃描方向圖

圖8 E面6 GHz波束掃描方向圖

圖9 H面12 GHz波束掃描方向圖

圖10 E面12 GHz波束掃描方向圖

圖11 H面18 GHz波束掃描方向圖

圖12 E面18 GHz波束掃描方向圖

6～18GHz陣列天線增益沿著E面及H面掃描性能總結(jié)如表2所示。

表2 E面/H面波束掃描增益性能

3 結(jié)束語

本文提出的寬帶天線采用指數(shù)漸變開槽Vivaldi天線單元形式，通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，保證天線在6～18 GHz內(nèi)的匹配、二維大角度掃描等性能。該天線形式具有體積小、質(zhì)量輕、易集成等諸多優(yōu)點，在天線性能得到保證的基礎(chǔ)上，使之更適合工程應(yīng)用。分別仿真天線在6 GHz、12 GHz、18 GHz時的單元性能及波束掃描性能，可以看出，陣列天線在18 GHz波束掃描到45°時，會出現(xiàn)較高的柵瓣，這是由目前天線組陣方式及單元間距選擇造成，是超寬帶陣列有大角度掃描增益需求時必然出現(xiàn)的問題。在6 GHz、12 GHz波束掃描到45°時，E面±45°掃描波束內(nèi)最小增益分別為14.1 d B、19.0 dB，H面±45°掃描波束內(nèi)最小增益分別為16.0 dB、20.0 d B，波束掃描時增益性能良好。